Nye kryo-EM-funn kan revolusjonere utformingen av T-celle-immunterapi

Nye kryo-EM-funn kan revolusjonere utformingen av T-celle-immunterapi

En av de mest spennende fremskrittene innen kreftbehandling det siste tiåret er utviklingen av T-celle immunterapi, som trener en pasients eget immunsystem til å gjenkjenne og angripe farlige celler. Men forskerne har så langt ikke klart å få en helhetlig forståelse av hvordan de faktisk fungerer. Dette ga en betydelig begrensning fordi mens T-celle immunterapi er svært effektive i visse kreftformer, er de ineffektive i de fleste av dem – og årsakene til dette er uklare. Du forstårProsedyrekan komme en mye større gruppe kreftpasienter til gode.

Nå har forskere ved Rockefeller University avslørt nøkkeldetaljer om T-cellereseptoren (TCR), som er innebygd i cellemembranen og essensiell for T-celleterapi. Ved å bruke cryo-EM for å avbilde proteinet i et biokjemisk miljø som gjenskaper dets naturlige miljø, har forskere ved Laboratory of Molecular Electron Microscopy oppdaget at reseptoren er en slags gripepose som spretter opp når den presenteres med et antigen eller lignende mistenkelig partikkel. Denne oppdagelsen motsier alle tidligere cryo-EM-studier av komplekset.

Romanfunnet, publisert iNaturkommunikasjonhar potensial til å foredle og utvide T-celleterapier.

"Denne nye, grunnleggende forståelsen av hvordan signalsystemet fungerer kan bidra til å redesigne neste generasjons behandlinger," sier hovedforfatter Ryan Notti, klinisk instruktør i Walz laboratorium og spesiallektor ved avdelingen for medisin ved Memorial Sloan Kettering Cancer Center, hvor han behandler pasienter med sarkomer, eller kreft som oppstår i bløtvev eller bein.

"T-cellereseptoren er faktisk grunnlaget for praktisk talt alle onkologiske immunterapier, så det er bemerkelsesverdig at vi bruker systemet, men har ingen anelse om hvordan det faktisk fungerer - og det er her grunnleggende vitenskap kommer inn," sier Walz, en global ekspert på kryo-EM-avbildning. "Dette er et av de viktigste arbeidene som noen gang har kommet ut av laboratoriet mitt."

Aktivering av T-celler

Walz laboratorium spesialiserer seg på visualisering av makromolekylære komplekser, spesielt cellemembranproteiner, som formidler interaksjoner mellom cellens indre og ytre. TCR er et slikt kompleks. Denne kompliserte multiproteinstrukturen lar T-celler gjenkjenne og reagere på antigener presentert av humane leukocyttantigen (HLA)-komplekser fra andre celler. T-celleterapier har utnyttet denne reaksjonen til å involvere pasientens eget immunsystem i kampen mot kreft.

Men mens komponentene til TCR har vært kjent i flere tiår, har de tidligste trinnene i aktiveringen forblitt ukjente. Som lege og vitenskapsmann var Notti frustrert over dette kunnskapsgapet: Mange av sarkompasientene hans høstet ikke fordelene med T-celle immunterapi, og han ønsket å forstå hvorfor.

Å bestemme dette vil hjelpe oss å forstå hvordan informasjonen fra utsiden av cellen, der disse antigenene presenteres av HLA-er, kommer til innsiden av cellen, der signalering slår på T-cellen."

Ryan Notti, Rockefeller University

Notti, som fikk sin doktorgrad. Han tok doktorgraden i strukturell mikrobiologi fra Rockefeller før han flyttet fokuset til onkologi og foreslo at Walz skulle undersøke det.

Fra skreddersydde membraner til forbedrede immunterapier og vaksiner

Walz gruppe spesialiserer seg på å utvikle skreddersydde membranmiljøer som tar sikte på å etterligne det naturlige miljøet til visse membranproteiner. "Vi kan endre den biokjemiske sammensetningen, tykkelsen på membranen, spenningen og krumningen, størrelsen - alle slags parametere som vi vet har innflytelse på det innebygde proteinet," sier Walz.

For studien ønsket forskerne å skape et naturlig miljø for TCR og observere hvordan den oppfører seg. For å gjøre dette, plasserer de reseptoren i en nanodisk, et lite skiveformet stykke membran som holdes i løsning av et stillasprotein som vikler seg rundt kanten av disken. Det var ingen lett oppgave; "Det var en utfordring å integrere alle de åtte av disse proteinene på riktig måte i nanoskiven," sier Notti.

Alt strukturelt arbeid på TCR til dags dato er gjort i vaskemiddel, som har en tendens til å løsne membranen fra proteinet. Dette var den første studien som gjenintegrerte komplekset i en membran, bemerker Walz.

De begynte deretter med kryo-EM-avbildning. Disse bildene viste at T-cellereseptoren hadde en lukket, kompakt form ved hvile. Når den først ble aktivert av et antigenpresenterende molekyl, åpnet den seg og strakte seg ut, som om den spredte armene bredt.

Det var en dyp overraskelse. "Dataene som var tilgjengelige i begynnelsen av denne forskningen viste at dette komplekset var åpent og utvidet i hviletilstand," forklarer Notti. "Så vidt noen visste, gjennomgikk ikke T-cellereseptoren noen konformasjonsendringer når den bandt seg til disse antigenene. Men vi fant ut at den åpnet seg og åpnet seg som en slags jack-in-the-box."

Forskerne mistenker at kombinasjonen av to nøkkelmetoder muliggjorde deres nye perspektiv. Først samlet de den riktige membranlipidcocktailen for å reprodusere TCR-enein vivoMiljø. Og for det andre returnerte de reseptoren til dette membranmiljøet ved å bruke nanoskiver før kryo-EM-analyse. De fant ut at en intakt membran er nøkkelen fordi den holder TCR på plass til den aktiveres. Ved å fjerne membranen med et rengjøringsmiddel, hadde tidligere studier ved et uhell frigjort jack-in-the-box-låsen, noe som fikk den til å åpne seg for tidlig.

"Det var viktig at vi brukte en lipidblanding som var lik den til den naturlige T-cellemembranen," sier Walz. "Hvis vi bare hadde brukt et modelllipid, ville vi heller ikke ha sett denne lukkede hviletilstanden."

Forskerne er spente på potensialet i funnene deres for å optimalisere terapier basert på T-cellereseptorer. "Redesign av neste generasjon immunterapier er en prioritet når det gjelder udekkede kliniske behov," sier Notti. "For eksempel brukes adoptiv T-celleterapi med hell til å behandle visse svært sjeldne sarkomer. Så man kunne tenke seg å bruke funnene våre til å redesigne følsomheten til disse reseptorene ved å justere aktiveringsterskelen deres."

"Denne informasjonen kan også brukes til vaksineutvikling," legger Walz til. "Folk i dette feltet kan nå bruke strukturene våre til å se raffinerte detaljer om interaksjonene mellom forskjellige antigener presentert av HLA- og T-cellereseptorer. Disse forskjellige interaksjonsmåtene kan ha implikasjoner for hvordan reseptoren fungerer - og måter å optimalisere den på."

Kilder: